甲烷[wán]（英文名methane），是具有正四面體結構的非極性分子，最簡單的有機化合物，分子式為。常溫狀態(tài)下為無色無味氣體，分子量16，比空氣略輕，微溶于水，易燃，但跟強酸、強堿或強氧化劑等一般不起反應。大氣中甲烷的來源豐富，可分為自然來源和人為來源。在今天的大氣中，有大約20%的甲烷來自古代，是在幾百萬年前就存在于煤層、海底、天然氣礦藏和融化了的永久凍土下面而到今天才釋放出來的。而近代產(chǎn)生的甲烷，來源主要有牛、泥沼、瀝青、稻田、新開墾的土地、腐敗的垃圾和白蟻等。無論哪種來源，都是由細菌在缺氧條件下進行的有機物分解，若是有氧則會產(chǎn)生CO2。
甲烷是一種易燃易爆的物質(zhì)，遇明火或熱源有起火和爆炸的危險。甲烷的排放和泄露會造成環(huán)境污染和加劇溫室效應。甲烷還是一種窒息劑，若空氣中甲烷含量過多，則會導致窒息甚至死亡。所以在甲烷的生產(chǎn)、儲運和使用過程中，必須按規(guī)定操作。
甲烷是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分，應用廣泛，是重要的燃料和化工原料，在化工生產(chǎn)中，可以用來生產(chǎn)乙炔[yǐ quē]、氫氣等其他物質(zhì)。在電子制造領域，被用作刻蝕氣的輔助添加氣。
發(fā)現(xiàn)歷史
甲烷的發(fā)現(xiàn)
1776年11月，意大利物理學家伏打(A.Volta) ，在意大利北部科摩(Como）湖的淤泥中收集到一種氣體。他點燃了這一氣體火焰呈青藍色，燃燒較慢，需要10-12倍體積的空氣才會燃燒爆炸，不同于可燃性空氣（氫氣）的燃燒。提出原子論的英國化學家約翰·道爾頓也和伏打一樣收集了沼氣，并進行了研究。1790年英國醫(yī)生奧斯汀（W.Austin）發(fā)表燃燒甲烷和氫氣的報告。他測定了甲烷比氫氣重。而且氫氣燃燒生成水，甲烷燃燒生成水和二氧化碳。他確定甲烷是碳和氫的化合物。
甲烷的研究
1808年，原子論創(chuàng)立者約翰·道爾頓（John Dalton）認為甲烷分子是由兩個氫原子和一個碳原子構成的，并用：
表示甲烷的分子結構。
繼約翰·道爾頓之后，1813年，瑞典著名學者伯齊利烏斯（Jacob Berzelius）將元素符號引入有機化學 。1857—1858年，德國化學家弗里德利希·凱庫勒（FriedrichA·Kekule）提出了有機化合物分子中碳原子為四價 。1861年，俄羅斯化學家布特列洛夫（Butlerov, Aleksandr）提出了化學結構理論的基本思想。這些理論的確立，為人們研究甲烷分子的結構提供了理論依據(jù)，人們就在這些理論基礎上相繼提出了：
三種甲烷的結構式。
到了19世紀，人類對化學的認識上升到了立體化學的層面。1874年，范霍夫（Jacobus Henricus van 't Hoff）和列別爾（J.A.Le Bel）分別從旋光異構體的數(shù)目出發(fā)，提出了碳原子具有四面體結構的學說。即甲烷分子中，碳原子位于正四面體的中心，連接氫原子的四個鍵伸向四面體的四個頂點。這樣甲烷的分子結構又可以用：
來表示了。但范霍夫提出的學說遭到了強烈的批判。后來，近代X-射線和電子衍射進一步證明了甲烷正四面體結構，而且根據(jù)H-C-H的鍵角就為109°28’，也證明甲烷分子是一個正四面體的立體結構。
1916年美國化學家吉爾伯特·路易士（Gilbert Newton Lewis）提出了共價學說，建立了經(jīng)典的共價鍵理論（又稱八隅體理論），這時候甲烷的分子結構變?yōu)椋?/p>
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
甲烷在常溫下是無色無味的氣體，熔點182.6℃，沸點161.4℃，相對密度（水=1）為0.42（-164℃），相對蒸汽密度（空氣=1）為0.6，飽和蒸氣壓為53.32kPa（-168.8℃），臨界溫度為-82.25℃，臨界壓力為4.59MPa。微溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯、甲苯等。
化學性質(zhì)
在通常情況下，甲烷是比較穩(wěn)定的，跟強酸、強堿或強氧化劑等一般不起反應。但是甲烷的穩(wěn)定性是相對的，在特定的條件下，也會發(fā)生某些反應。
加熱分解
在隔絕空氣的條件下，把甲烷加熱到1000℃~1200℃，能分解成碳黑和氫氣。
如果在短時間內(nèi)加熱到1500℃，迅速冷卻，甲烷就分解成乙炔和氫氣。
取代反應
烷烴分子中的氫原子被其他原子或基團取代的反應，稱為取代反應。以氯代反應為例。
在室溫下，甲烷和氯氣的混合物可以在黑暗中長期保存而不起任何反應。但把混合氣體放在光亮的地方（在漫射光照射下），就會發(fā)生甲烷中的氫原子被氯原子取代的反應，黃色的氯氣就會逐漸變淡。
反應一般不易停留在這一階段，生成的一氯甲烷可以繼續(xù)跟氯氣作用，依次生成二氯甲烷、三氯甲烷（又叫氯仿）和四氯甲烷（又叫四氯化碳）。反應式如下:
氧化反應
甲烷易燃燒，燃燒時火焰呈青白色，生成二氧化碳和水，同時放出大量熱量。
當甲烷不完全燃燒時會生成碳黑。這是生產(chǎn)碳黑的一種方法。
甲烷在適當?shù)臈l件下能發(fā)生部分氧化，得到氧化產(chǎn)物，如甲醛或甲酸。
裂解反應
把甲烷（實際上是用天然氣或焦煤氣的甲烷）通入電弧爐中，經(jīng)過3000℃左右的電弧區(qū)，使甲烷加熱到1500℃，發(fā)生裂解反應生成乙炔和氫氣等。然后很快導入驟冷器，被直接噴入的冷水驟冷至100℃以下，阻止其進一步分解，就可得產(chǎn)品乙炔等。
生成合成氣
將甲烷與水蒸汽在725℃混和并通過鎳催化劑，可以將其轉變?yōu)?a href="/hebeideji/7185417422056685620.html">一氧化碳和氫氣。
應用領域
燃料
甲烷是重要的燃料。以甲烷為主要成分的天然氣，在凈化處理后有害物質(zhì)的含量比液態(tài)燃料低得多，燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)排放少。天然氣是氣態(tài)燃料，容易與空氣混合，因此燃料燃燒完全，尾氣排放污染物也較少。天然氣作為優(yōu)質(zhì)氣體燃料，已有悠久的歷史，被大規(guī)模開采利用，成為世界第三能源。液化天然氣被用于汽車、海上快艇和超音速飛機，不但可以實現(xiàn)高速度，而且可節(jié)省燃料。
以甲烷為主要成分的沼氣，也可作為燃料，主要用于煮飯、點燈，少數(shù)用于發(fā)電、抽水、加工、開汽車，也用于孵雞、育蠶、育秧、育雛雞、烘干糧食，為工業(yè)鍋爐提供熱能。
化工原料
甲烷是發(fā)展石油化工的重要一環(huán)，是很多化工產(chǎn)品的原料。其利用途徑如下：甲烷氧化熱解可制稀乙炔，稀乙炔提濃可制各種有機合成產(chǎn)品；經(jīng)蒸汽轉化制氫，可制合成氨、甲醇；經(jīng)氨氧化可制氫氰酸[qīng qíng suān]，由此可制多種有機合成產(chǎn)品，如丙烯酸甲酯、三聚氰氯等；經(jīng)氯化可制氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳；經(jīng)氧化可制甲醛；經(jīng)硝化可制硝基甲烷；經(jīng)硫化可制二硫化碳；經(jīng)裂解可制碳黑等。
其他領域
在電子制造領域，高純甲烷可用于非晶硅太陽電池制造，用作太陽能電池、非晶硅膜氣相化學沉積的碳源，用于大規(guī)模集成電路干法刻蝕或帶電粒子刻蝕氣的輔助添加氣。甲烷可用作生產(chǎn)燃氣報警器的標準氣、校正氣，還可以及醫(yī)藥化工合成的生產(chǎn)原料。在醫(yī)療上，甲烷主要應用于特定種類的肺擴散實驗混合氣的標準氣、成分氣。
生理作用
動物體內(nèi)的膽堿及其代謝物能分解或轉變成，這種內(nèi)源性具有保護細胞膜免受活性氧（reactive 氧 物種, ROS）的攻擊以及促進細胞膜修復的作用。此外，外源性具有較強的抗炎藥、抗氧化、抗凋亡的生物學效 應，提高腦、心臟、肝臟等多種組織器官的抗氧化能力，減輕其氧化應激損傷和炎癥損傷的程度，對多種臨床疾病的治療具有研究和應用價值。
制備方法
實驗室制備
使用無水醋酸鈉（）和堿石灰在硬質(zhì)試管中直接混合加熱是大多數(shù)高校教材采用的制備方法，主要反應：
工業(yè)制備
細菌分解法
將有機質(zhì)放入沼氣池中，控制好溫度和濕度，甲烷菌迅速繁殖，將有機質(zhì)分解成甲烷、二氧化碳、氫、硫化氫、一氧化碳等，其中甲烷占60%-70%。經(jīng)過低溫液化，將甲烷提出，可制得廉價的甲烷。
污水厭氧處理生產(chǎn)甲烷
在污水厭氧處理中。在厭氧狀態(tài)下，二氧化碳、氫氣、產(chǎn)酸菌（非產(chǎn)甲烷菌）和產(chǎn)甲烷菌共同作用，產(chǎn)生甲烷。
分離法
分布情況
自然分布
大氣來源
自然來源（共計30%）：濕地21%，白蟻3%，海洋2%，其他3%。
人為來源（共計70%）：天然氣16%，反芻亞目[fǎn chú dòng wù]16%，水田12%，生物燃料燃燒8%，廢棄物填埋8%，其他10%。
礦產(chǎn)分布
甲烷是天然氣、沼氣、坑氣主要成分，自然界中儲量大，分布較廣但不均衡。
其他分布
分子結構
在甲烷中，碳原子采取sp3雜化。4個氫原子的s軌道與碳原子的4個sp3雜化軌道正面重疊，形成4根C-H鍵。由于碳原子sp3雜化軌道呈正四面體構型，所以，甲烷分子也是正四面體構型。H-C-H為109°28′，C-H鍵的鍵長為110pm。甲烷是分子晶體，分子間存在共價鍵。因為C原子吸引電子的能力強于H原子（H原子電子層中的電子已飽和），因此電子更偏向C原子；H由于偏離電子而顯正價，C由于偏向電子而顯負價。
環(huán)境影響
環(huán)境污染
泄露、不正當?shù)氖褂玫葧?a href="/hebeideji/7867881313269289997.html">地表水、土壤、大氣和飲用水造成污染
溫室效應
2018年4月2日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員，利用俄克拉何馬州南大平原觀測站十年來獲得的對地球大氣的綜合觀測數(shù)據(jù)，首次直接證明了甲烷導致地球表面溫室效應不斷增加。
研究人員稱，21世紀初，大氣中甲烷的濃度停滯不前，溫室效應也遵循同樣的模式；但從2007年開始，甲烷濃度開始上升的同時，其導致的溫室效應也水漲船高。溫室氣體甲烷——由奶牛和垃圾場產(chǎn)生。這些溫室氣體比二氧化碳效力強得多，根據(jù)相關機構的研究，以單位分子數(shù)而言，甲烷的溫室效應要比二氧化碳大上25倍，而最新的計算方式甚至得出甲烷的溫室效應比二氧化碳強72倍。但是甲烷在大氣中存留的時間要短得多，僅留存大約十年左右。
安全事宜
消防相關
易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火或熱源有燃燒爆炸的危險。在正常氣壓下，甲烷的爆炸下限（LEL）為5-6%，爆炸上限（UEL）為15-16%；甲烷在空氣中的濃度達到9.5%時，就會發(fā)生最強烈的爆炸。氧濃度降低時爆炸下限變化不大，而爆炸上限明顯降低；當氧濃度低于12%時，混合氣體就失去爆炸性。甲烷與五氧化溴[xiù]、氯、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它強氧化劑接觸劇烈反應。
健康相關
皮膚接觸液化本品，可致凍傷。
甲烷是一種窒息劑。若空氣中的甲烷含量達到25% ~30%時就會使人發(fā)生頭痛、頭暈、惡心、注意力不集中、動作不協(xié)調(diào)、乏力、四肢發(fā)軟等癥狀。若空氣中甲烷含量超過45% ~50%時，就會因嚴重缺氧而出現(xiàn)呼吸困難、心動過速、昏迷以至窒息而死亡。
急救措施
若起火。用霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉滅火。切斷氣源。若不能切斷氣源，則不允許熄滅泄漏處的火焰。消防人員必須佩戴空氣呼吸器、穿全身防火防毒服，在上風向滅火。盡可能將容器從火場移至空曠處。噴水保持火場容器冷卻，直至滅火結束。
若凍傷。將患部浸泡于保持在38～42℃的溫水中復溫。不要涂擦。不要使用熱水或輻射熱。使用清潔、干燥的敷料包扎。如有不適感，就醫(yī)。
若吸入。迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢。若有呼吸困難者，應給輸氧。若有呼吸、心跳停止者，立即進行心肺復蘇術并就醫(yī)。
若泄露。應消除所有點火源。根據(jù)氣體擴散的影響區(qū)域劃定警戒區(qū),無關人員從側風、上風向撤離至安全區(qū)。建議應急處理人員戴正壓自給式呼吸器,穿防靜電服。作業(yè)時使用的所有設備應接地。禁止接觸或跨越泄漏物。盡可能切斷泄漏源。若可能翻轉容器，使之逸出氣體而非液體。噴霧狀水抑制蒸氣或改變蒸氣云流向，避免水流接觸泄漏物。禁止用水直接沖擊泄漏物或泄漏源。防止氣體通過下水道、通風系統(tǒng)和限制性空間擴散。隔離泄漏區(qū)直至氣體散盡。
GHS制度
參考資料 >
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美研究人員：甲烷溫室效應獲實驗室外觀測證實-中國新聞網(wǎng).中新網(wǎng).2023-08-10
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土衛(wèi)二驚現(xiàn)高濃度甲烷，難道海洋中有食氫產(chǎn)生甲烷的微生物？.今日頭條.2023-08-10
美國科學家在火星上發(fā)現(xiàn)甲烷-甲烷,火星-北方網(wǎng)-新聞中心.北方網(wǎng).2023-08-10
認識甲烷：看不見摸不著但卻很強大.中國科學院.2023-08-11